DE10017280A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Steuerung einer Brennkraftmaschine - Google Patents

Abstract

Es werden eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Steuerung einer Brennkraftmaschine beschrieben. Mittels wenigstens eines Modells wird eine Sauerstoffmenge (MO22), die in die Brennkraftmaschine strömt, ausgehend von wenigstens einer Stellgröße und wenigstens einer Meßgröße, die den Zustand der Luft in einem Ansaugrohr charakterisiert, bestimmt. Ausgehend von wenigstens einer Temperaturgröße (T2), einer Druckgröße (P2), einer Drehzahlgröße (N), einer Kraftstoffmengengröße (ME) und einer Luftgröße (ML21) wird die Sauerstoffmenge (MO22) bestimmt.

Description

Stand der Technik

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Steuerung einer Brennkraftmaschine.

Ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Steuerung einer Brennkraftmaschine ist beispielsweise aus der DE 197 56 619 bekannt. Dort wird ein System zum Betreiben einer Brenn­ kraftmaschine insbesondere in einem Kraftfahrzeug beschrie­ ben, bei dem die Luft über eine in einem Ansaugrohr angeord­ nete Drosselklappe einem Brennraum zugeführt wird, wobei der Mengenstrom über die Drosselklappe ermittelt wird. Dabei ist in einer Abgasrückführleitung ein Ventil angeordnet, wobei der Mengenstrom über das Ventil in der Abgasrückführleitung ebenfalls ermittelt wird. Ausgehend von den beiden Luftmen­ genströmen wird der Luftmengenstrom in den Brennraum be­ stimmt. Problematisch bei dieser Einrichtung ist es, daß verschiedene Größen, die zur Berechnung benötigt werden, nur schwer mittels Sensoren erfaßt werden können. Nachteilig ist daher, daß eine große Anzahl von Sensoren zur Erfassung der verschiedenen Größen erforderlich sind.

Vorteile der Erfindung

Mit der erfindungsgemäßen Vorgehensweise ist es möglich, die Sauerstoffmenge, die in die Brennkraftmaschine strömt, zu bestimmen. Dabei sind lediglich einige wenige Meßgrößen er­ forderlich, die mittels einfacher, billiger Sensoren leicht erfaßbar sind. Desweiteren werden Größen verwendet, die bei der Steuerung der Brennkraftmaschine intern im Steuergerät vorliegen.

Als Meßgröße werden wenigstens eine Drehzahlgröße (N), die die Drehzahl der Brennkraftmaschine charakterisiert, eine Ladelufttemperatur (T2), die die Temperatur in dem Ansaug­ rohr charakterisiert, und/oder ein Ladedruck (P2), der den Druck in dem Ansaugrohr charakterisiert, verwendet.

Vorteilhafte und zweckmäßige Ausgestaltungen und Weiterbil­ dungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekenn­ zeichnet.

Zeichnung

Die Erfindung wird nachstehend anhand der in der Zeichnung dargestellten Ausführungsformen erläutert. Es zeigen Fig. 1 eine schematische Darstellung der Brennkraftmaschine samt Luftsystem und die Fig. 2 ein Modell zur Bestimmung der Sauerstoffmenge, die in die Brennkraftmaschine strömt.

Beschreibung der Ausführungsbeispiele

Im folgenden wird die erfindungsgemäße Vorgehensweise am Beispiel einer Dieselbrennkraftmaschine beschrieben. Die Er­ findung ist aber nicht auf die Anwendung bei Dieselbrenn­ kraftmaschinen beschränkt, sie kann auch bei anderen Brenn­ kraftmaschinen, insbesondere bei direkteinspritzenden Ben­ zinbrennkraftmaschinen verwendet werden.

Einer Brennkraftmaschine 100 wird über eine Hochdruckfrisch­ luftleitung 102 eine bestimmte Luftmenge ML22, die einen be­ stimmten Sauerstoffanteil MO22 enthält, zugeführt. Die Größe MO22 wird auch als Sauerstoffanteil vor der Verbrennung be­ zeichnet. Die Luft in der Hochdruckfrischluftleitung 102 be­ sitzt eine Temperatur T2 und einen Druck P2.

Über eine Niederdruckfrischluftleitung 108 gelangt die Umge­ bungsluft zu einem Verdichter 106 und strömt in die Hoch­ druckfrischluftleitung 102. Die Hochdruckfrischluftleitung 102 wird auch als Ansaugrohr bezeichnet. Über den Verdichter strömt die Luftmenge ML21 mit dem Sauerstoffanteil MO21 in die Hochdruckfrischluftleitung 102. Die Luftmenge ML21 mit dem Sauerstoffanteil MO21, die durch die Niederdruckfrisch­ luftleitung 108 strömt, entspricht der Luftmenge mit dem entsprechenden Sauerstoffanteil, die durch den Verdichter 106 strömt. Die Luftmenge ML21, die von außen in das Ansaug­ rohr strömt, wird mittels eines Luftmengenmessers 105 gemes­ sen.

Von der Brennkraftmaschine 100 strömt die Luftmenge ML31 mit dem Sauerstoffanteil MO31 in eine Hochdruckabgasleitung 110. Die Größe MO31 wird auch als Sauerstoffanteil nach der Ver­ brennung bezeichnet.

Die Abgase gelangen von der Hochdruckabgasleitung 110 über eine Turbine 112 in eine Niederdruckabgasleitung 114, die auch als Auspuffleitung 114 bezeichnet wird.

Die Turbine 112 treibt über eine Welle 111 den Verdichter 106 an. Mittels eines Ladersteller 113 kann der Wirkungsgrad der Turbine und damit des gesamten Laders beeinflußt werden.

Die Vorgehensweise kann auch bei Brennkraftmaschinen ohne Lader eingesetzt werden.

Zwischen der Hochdruckabgasleitung 110 und der Hochdruck­ frischluftleitung 102 besteht eine Verbindung, die als Ab­ gasrückführleitung 116 bezeichnet ist. Durch diese Abgas­ rückführleitung 116 strömt die Luftmenge MA, die den Sauer­ stoffanteil MOA beinhaltet. Der Querschnitt der Abgasrück­ führleitung 116 ist vorzugsweise mittels eines Abgasrück­ führventils 118 steuerbar.

Vorzugsweise wird die Drehzahl N an der Kurbel und/oder der Nockenwelle der Brennkraftmaschine mittels eines Drehzahl­ sensors 101 erfaßt. Desweiteren sind Mengenstellglieder 103 vorgesehen, die die einzuspritzende Kraftstoffmenge ME, die der Brennkraftmaschine zugeführt wird, bestimmen. Hierzu werden die Stellglieder 103 mit einem Mengensignal ME beauf­ schlagt.

Zur genauen Steuerung der Brennkraftmaschine bzw. der Stell­ glieder 118 und 113 sollten verschiedene der dargestellten Größen bekannt sein. Insbesondere sollte die Sauerstoffmenge bzw. der Sauerstoffanteil MO22, die der Brennkraftmaschine zugeführt wird, bekannt sein. Die Sauerstoffmenge bestimmt zusammen mit der eingespritzten Kraftstoffmenge ME die Abga­ semissionen, insbesondere die Rußemissionen bei Dieselbrenn­ kraftmaschinen.

Mit der erfindungsgemäßen Vorgehensweise werden vorzugsweise Luftmassen verarbeitet. Es können aber auch Volumengrößen verarbeitet werden. Im folgenden werden die Größen als Men­ gengrößen bezeichnet. Die beschriebenen Größen stellen nur eine besonders vorteilhafte Ausgestaltung dar. Anstelle der beschriebenen Größen können auch andere Größen, die den be­ schriebenen Größen entsprechen und/oder mit diesen über Um­ rechnungsfaktoren verbunden sind, verwendet werden.

In Fig. 2 ist das Modell für das Ansaugrohr und die Ver­ brennung dargestellt. Das Modell für das Ansaugrohr ist mit 200 und das Modell für die Verbrennung ist mit 210 bezeich­ net. Mittels verschiedener Sensoren, die mit Kreisen darge­ stellt sind, werden unterschiedliche leicht meßbare Größen erfaßt. Dies sind der Ladedruck P2, der den Druck in dem An­ saugrohr charakterisiert, die Ladelufttemperatur T2, die die Temperatur der Luft in dem Ansaugrohr 102 charakterisiert, die Drehzahl N der Brennkraftmaschine, die Frischluftmenge ML21, die von außen in das Ansaugrohr 102 einströmt, sowie die einzuspritzende Kraftstoffmenge ME. Bei der einzusprit­ zenden Kraftstoffmenge ME handelt es sich vorzugsweise um die einzuspritzende oder um die eingespritzte Kraftstoffmen­ ge bzw. eine diese Kraftstoffmenge charakterisierende Größe, wie beispielsweise die Ansteuerdauer von Injektoren und/oder Einspritzventilen. Das Drehzahlsignal N liegt der Motor­ steuerung bereits vor, da es zur Steuerung der Brennkraftma­ schine verwendet wird.

Der Ladedruck P2 und die Ladelufttemperatur T2 gelangen zu einer Luftmengenbestimmung 212. Die Drehzahl gelangt zu ei­ ner Füllgradbestimmung 214 und die Luftmenge ML21 gelangt zum einen zu einem Verknüpfungspunkt 216 und mit negativem Vorzeichen zu einem Verknüpfungspunkt 218. Das Ausgangs­ signal MM2 der Luftmengenbestimmung 212, das der Luftmenge im Ansaugrohr entspricht, gelangt zum einen zu einem Ver­ knüpfungspunkt 220, zu einem Verknüpfungspunkt 222 und zu einer Differenzierer 224.

Das Ausgangssignal M2 der Differenzierer 224 kennzeichnet die zeitliche Änderung der Luftmenge im Ansaugrohr. Dieses Signal M2 gelangt mit positivem Vorzeichen ebenfalls zu dem Additionspunkt 218.

Das Ausgangssignal E der Füllgradbestimmung 214 gelangt ebenfalls zu dem Verknüpfungspunkt 220. Das Ausgangssignal ML22 des Verknüpfungspunktes 220 kennzeichnet die Luftmenge, die in die Brennkraftmaschine strömt. Dieses Signal ML22 ge­ langt zum einen mit positivem Vorzeichen zum Eingang des Verknüpfungspunkts 218 und zum anderen zu einem Verknüp­ fungspunkt 226. Ferner gelangt dieses Signal ML22 bzgl. der Luftmenge, die in die Brennkraftmaschine strömt, zu einem Verknüpfungspunkt 250 des Verbrennungsmodells 210.

Am zweiten Eingang des Verknüpfungspunkts 216 liegt ein Aus­ gangssignal C einer Konstantenvorgabe. Mit dem Ausgangs­ signal MO21 des Verknüpfungspunkts 216, das der Sauerstoff­ menge entspricht, die in das Ansaugrohr 102 einströmt, ge­ langt zu einem Verknüpfungspunkt 228. Am zweiten Eingang des Verknüpfungspunkts 228 liegt ein Signal MOA an, das der Sau­ erstoffmenge, die in der Abgasrückführleitung strömt, kenn­ zeichnet. Dieses Signal MOA wird von dem Verbrennungsmodell 210 bereitgestellt. Das Ausgangssignal MO2 des Verknüpfungs­ punkts 228, das die Änderung der Sauerstoffmenge in dem An­ saugrohr 102 charakterisiert, gelangt zu einem Integrierer 230, an dessen Ausgang das Signal MMO2, das die Sauerstoff­ menge in dem Ansaugrohr charakterisiert, anliegt.

Dieses Signal MMO2 bezüglich der Sauerstoffmenge in dem An­ saugrohr gelangt als zweite Größe zu dem Verknüpfungspunkt 222. Das Ausgangssignal O22 des Verknüpfungspunkts 222, das den Sauerstoffanteil in der Luft, die in die Brennkraftma­ schine strömt, charakterisiert, gelangt zu dem Verknüpfungs­ punkt 226. Am Ausgang des Verknüpfungspunkts 226 liegt das Signal MO22 an, das die Sauerstoffmenge, die in die Brenn­ kraftmaschine strömt, charakterisiert.

Dieses Signal MO22 gelangt mit negativen Vorzeichen zu dem Verknüpfungspunkt 228 und mit positivem Vorzeichen zu einem Verknüpfungspunkt 252 des Verbrennungsmodells 210. Das Aus­ gangssignal MO31 des Verknüpfungspunktes 252, das der Sauer­ stoffmenge, die aus der Brennkraftmaschine strömt, ent­ spricht, gelangt zu einem Verknüpfungspunkt 254, an dessen zweiten Eingang das Ausgangssignal des Verknüpfungspunktes 250 liegt. Am zweiten Eingang des Verknüpfungspunktes 250 liegt das Kraftstoffmengensignal ME. Das Kraftstoffmengensi­ gnal ME gelangt ferner über einen Verknüpfungspunkt 256 mit negativem Vorzeichen zu dem Verknüpfungspunkt 252. Im Ver­ knüpfungspunkt 256 wird das Signal mit einer Konstante C2 verknüpft. Das Ausgangssignal O31 des Verknüpfungspunktes 254, das den Sauerstoffanteil in der Luft, die aus der Brennkraftmaschine strömt, entspricht, gelangt über einen Verknüpfungspunkt 258 zum Ausgang des Verbrennungsmodells 210. Am zweiten Eingang des Verknüpfungspunkts 256 liegt das Ausgangssignal MA, das die Luftmenge in der Abgasrückführ­ leitung charakterisiert, des Verknüpfungspunkts 218 an.

Die gesamte im Ansaugrohr vorhandene Luftmenge MM2, berech­ net die Luftmengenbestimmung 212 mittels der idealen Gas­ gleichung aus Ladedruck P2, der Ladelufttemperatur T2 und dem Volumen V dem Ansaugrohr. Das Volumen wird dabei als Konstante angesehen. Diese Luftmenge im Ansaugrohr MM2 wird über den Differenzierer 224, der vorzugsweise als DT1-Glied ausgebildet ist, differenziert. Somit ergibt die zeitliche Änderung der Luftmenge M2 in dem Ansaugrohr.

Die Luftmenge ML22, die in die Brennkraftmaschine strömt, ist proportional zur Dichte des Gases in dem Ansaugrohr und damit proportional zur Luftmenge MM2. Der Proportionalitäts­ faktor E wird als Kennlinie abhängig von der aktuellen Mo­ tordrehzahl N von der Füllgradbestimmung 214 vorgegeben.

Aus der mit Hilfe des Luftmengenmessers 105 gemessenen Luft­ menge ML21, der geschätzten Luftmengen ML22, die in die Brennkraftmaschine strömt und der Änderung der Luftmenge M2 in dem Ansaugrohr berechnet der Verknüpfungspunkt 218 einen Schätzwert für die Luftmenge MA, die durch die Abgasrück­ führleitung strömt. Dies bedeutet, die Luftmenge im Ansaug­ rohr wird bilanziert.

Zusätzlich zur gesamten Luftmenge MM2 in dem Ansaugrohr wird auch die darin enthaltene Sauerstoffmenge MMO2 geschätzt. Hierfür wird der Sauerstoffmengenstrom MO2 integriert. Der Sauerstoffmengenstrom setzt sich aus drei Komponenten zusam­ men.

Die erste Komponente ist die, über den Luftmengenmesser 105 zufließende Sauerstoffmenge MO21, diese ist proportional zur Luftmenge ML21 die über den Luftmengenmesser strömt. Die Proportionalitätskonstante C entspricht dem Sauerstoffgehalt der Frischluft. Die zweite Komponente der gesuchten Sauer­ stoffmenge MO22, die in die Brennkraftmaschine strömt, ist proportional zur Luftmenge ML22, die in die Brennkraftma­ schine strömt. Die Proportionalitätskonstante O22 entspricht dem Sauerstoffanteil der Luft, die in die Brennkraftmaschine strömt. Die Größe O22 ergibt sich als Quotient der Sauer­ stoffmenge MMO2 und der Luftmenge MM2. Da der Sauerstoffmen­ genstrom in die Brennkraftmaschine dem Ansaugrohr Sauerstoff entnimmt, wird dieser Anteil mit einem negativen Vorzeichen berücksichtigt. Die dritte Komponente ist die Sauerstoffmen­ ge MOA, die über das Abgasrückführventil in das Ansaugrohr gelangt. Dieser Sauerstoffmengenstrom ist proportional zur Luftmenge MA, die durch die Abgasrückführleitung strömt. Die Proportionalitätskonstante ist der Sauerstoffanteil O31, in der Luft, die aus der Brennkraftmaschine strömt.

Um diesen Sauerstoffanteil O31, in der Luft, die aus der Brennkraftmaschine strömt, zu bestimmen, wird das Verbren­ nungsmodell verwendet. Dieses geht davon aus, daß die gesam­ te eingespritzte Kraftstoffmenge verbrennt, und dabei dem Gasgemisch im Brennraum Sauerstoff entzieht, wodurch die Sauerstoffmenge MO22 vor Verbrennung auf die Sauerstoffmenge MO31 nach Verbrennung reduziert wird. Kraftstoffmenge und Reduktion der Sauerstoffmenge sind über das stöchiometrische Verhältnis C2 zueinander proportional.

Der Sauerstoffanteil O31 nach Verbrennung ergibt sich als Quotient des Sauerstoffmenge MO31 und der gesamten Luftmenge die aus der Brennkraftmaschine strömt. Die Luftmenge, die aus der Brennkraftmaschine strömt, ergibt sich als Summe aus der Luftmenge ML22, die in die Brennkraftmaschine strömt, und der eingespritzten Kraftstoffmenge ME.

Mittels der dargestellten Vorgehensweise wird aus einfach zu messenden Größen die Sauerstoffmenge MO22, die in die Brenn­ kraftmaschine strömt, bestimmt, wobei die Auswirkungen der Abgasrückführung und der Sauerstoffanteil im Abgas berück­ sichtigt werden. Dieser kann bei mager betriebenen Brenn­ kraftmaschinen, insbesondere beim Dieselmotor, erheblich sein.

Erfindungsgemäß wird ausgehend von wenigstens einer Tempera­ turgröße T2, einer Druckgröße P2, einer Drehzahl N, einer Kraftstoffmenge ME und einer Luftmenge ML21 die Sauerstoff­ menge MO22, die in die Brennkraftmaschine strömt, bestimmt. Die Temperaturgröße T2, charakterisiert die Temperatur der Luft in dem Ansaugrohr. Die Druckgröße P2 charakterisiert den Druck der Luft in dem Ansaugrohr.

Die Luftmenge MA, die durch eine Abgasrückführleitung strömt, wird durch Bilanzieren der Luftmenge in dem Ansaug­ rohr ermittelt. Die Sauerstoffmenge MMO2 in dem Ansaugrohr wird ausgehend von wenigstens der Sauerstoffmenge MO21, die von außen in das Ansaugrohr strömt, der Sauerstoffmenge MO22, die in die Brennkraftmaschine strömt, und einer Sauer­ stoffmenge MOA, die über die Abgasrückführleitung strömt, bestimmt. Dabei werden die Sauerstoffmengen jeweils aus der entsprechenden Luftmenge und dem jeweiligen Sauerstoffanteil bestimmt.

Bei den Sauerstoffanteilen der Luftmengen, die von außen in das Ansaugrohr strömt, handelt es sich um die Konstante C. Der Sauerstoffanteil O31 der Luftmenge, die über die Abgas­ rückführleitung strömt, wird mittels eines Verbrennungsmo­ dells bestimmt. Der Sauerstoffanteil O22 der Luftmenge, die in die Brennkraftmaschine strömt, berechnet sich aus der Sauerstoffmenge MMO2 in dem Ansaugrohr und der Luftmenge in dem Ansaugrohr.

Die Sauerstoffmenge MO22, die in die Brennkraftmaschine strömt, wird ausgehend von wenigstens der Sauerstoffmenge MMO2 in dem Ansaugrohr, der Luftmenge MM2 in dem Ansaugrohr und der Luftmenge ML22, die in die Brennkraftmaschine strömt, bestimmt. Die Luftmenge ML22, die in die Brennkraft­ maschine strömt, wird ausgehend von wenigstens der Luftmenge MM2 in dem Ansaugrohr und der Drehzahl N bestimmt.

Die Luftmenge MM2 in dem Ansaugrohr wird ausgehend von we­ nigstens der Temperaturgröße T2 und der Druckgröße P2 be­ stimmt.

Claims (10)

1. erfahren zur Steuerung einer Brennkraftmaschine, bei dem mittels wenigstens eines Modells eine Sauerstoffmenge (MO22), die in die Brennkraftmaschine strömt, ausgehend von wenigstens einer Stellgröße und wenigstens einer Meß­ größe, die den Zustand der Luft in einem Ansaugrohr cha­ rakterisiert bestimmt wird, dadurch gekennzeichnet, daß ausgehend von wenigstens einer Temperaturgröße (T2), ei­ ner Druckgröße (P2), einer Drehzahlgröße (N), einer Kraftstoffmengengröße (ME) und einer Luftgröße (ML21) die Sauerstoffmenge (MO22) bestimmt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Temperaturgröße (T2), die die Temperatur der Luft im Ansaugrohr charakterisiert, die Druckgröße (P2), die den Druck der Luft in dem Ansaugrohr charakterisiert, und die Luftgröße (ML21), die die von außen in das Ansaugrohr strömende Luftmenge charakterisiert, mittels Sensoren er­ faßt werden.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß eine Luftmenge (MA), die durch eine Abgasrückführlei­ tung strömt, durch Bilanzieren der Luftmenge in dem An­ saugrohr ermittelt wird.

4. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß eine Sauerstoffmenge (MMO2) in dem Ansaugrohr ausgehend von wenigstens einer Sauerstoffmenge (MO21), die von außen in das Ansaugrohr strömt, der Sau­ erstoffmenge (MO22), die in die Brennkraftmaschine strömt, und einer Sauerstoffmenge (MOA), die über die Ab­ gasrückführleitung strömt, bestimmt wird.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Sauerstoffmengen jeweils aus der entsprechenden Luft­ menge und dem jeweiligen Sauerstoffanteil bestimmt wer­ den.

6. Verfahren nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß ein Sauerstoffanteil (O31) der Luftmenge, die über die Abgasrückführleitung strömt, mittels eines Verbren­ nungsmodells bestimmt wird.

7. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Sauerstoffmenge (MO22), die in die Brennkraftmaschine strömt, ausgehend von wenigstens der Sauerstoffmenge (MMO2) in dem Ansaugrohr, einer Luft­ menge (MM2) in dem Ansaugrohr und einer Luftmenge (ML22), die in die Brennkraftmaschine strömt, bestimmt wird.

6. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Luftmenge (ML22), die in die Brennkraftmaschine strömt, ausgehend von wenigstens der Luftmenge (MM2) in dem Ansaugrohr und der Drehzahl (N) bestimmt wird.

9. Verfahren nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Luftmenge (MM2) in dem Ansaugrohr ausgehend von wenigstens der Temperaturgröße (T2) und der Druckgröße (P2) bestimmt wird.

10. Vorrichtung zur Steuerung einer Brennkraftmaschine, die mittels wenigstens eines Modells eine Sauerstoffmenge (MO22), die in die Brennkraftmaschine strömt, ausgehend von wenigstens einer Stellgröße und wenigstens einer Meß­ größe, die den Zustand der Luft in einem Ansaugrohr cha­ rakterisiert bestimmt, dadurch gekennzeichnet, daß Mittel vorgesehen sind, die ausgehend von wenigstens einer Tem­ peraturgröße (T2), einer Druckgröße (P2), einer Drehzahl­ größe (N), einer Kraftstoffmengengröße (ME) und einer Luftgröße (ML21) die Sauerstoffmenge (MO22) bestimmen.